現(xiàn)代集成電路中MOSFET的體二極管的反向恢復(fù)特性對(duì)系統(tǒng)安全具有重要影響，本文探討了Diode的反向恢復(fù)特性的機(jī)理和模型原理。

半橋、全橋和 LLC 的電源系統(tǒng)以及電機(jī)控制系統(tǒng)的主功率 MOSFET、同步 Buck 變換器的續(xù)流開關(guān)管、以及次級(jí)同步整流開關(guān)管，其體內(nèi)寄生的二極管都會(huì)經(jīng)歷反向電流恢復(fù)的過程。功率 MOSFET 的體二極管的反向恢復(fù)的特性較差，導(dǎo)致二極管的開關(guān)損耗增加，降低系統(tǒng)的效率，同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生較高的振鈴，影響功率 MOSFET 的安全工作 。對(duì)應(yīng)的反向恢復(fù)特性，在Model中該如何考慮呢？今天就這方面來做一些討論。

二極管方向恢復(fù)機(jī)理

當(dāng)體二極管外加正向電壓 VF 時(shí)，正向電壓削弱了 PN 結(jié)的內(nèi)電場，漂移運(yùn)動(dòng)被削弱，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)被增強(qiáng)，擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡被破壞。結(jié)果造成 P 區(qū)的空穴（多子）流向 N 區(qū)，N 區(qū)的電子(多子）流向 P 區(qū)。進(jìn)入 P 區(qū)的電子和進(jìn)入 N 區(qū)的空穴分別成為該區(qū)的少子。因此，在 P 區(qū)和 N 區(qū)的少子比無外加電壓時(shí)多，這些 多出來的少子稱為非平衡少子。

這些非平衡少子，依靠積累時(shí)濃度差在 N 區(qū)和 P 區(qū)進(jìn)行擴(kuò)散。以空穴為例，其在N區(qū)建立起空穴濃度分布，靠近結(jié)邊緣的濃度最大，離結(jié)越遠(yuǎn)，濃度越小 。正向電流越大，存儲(chǔ)的空穴數(shù)目越多，濃度分布的梯度也越大。電子擴(kuò)散到Ｐ區(qū)的情況也類似，下圖為二極管中存儲(chǔ)電荷的分布。通常把正向?qū)〞r(shí)，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。

當(dāng)體二極管施加反向電壓時(shí)，P 區(qū)存儲(chǔ)的電子和 N 區(qū)存儲(chǔ)的空穴不會(huì)馬上消失，它 們將通過兩個(gè)途徑逐漸減少：

a. 在反向電場作用下，P 區(qū)電子被拉回 N 區(qū)，N 區(qū)空穴被拉回 P 區(qū)，形成反向漂移電流；

b. 與多數(shù)載流子復(fù)合。

二極管在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的反向恢復(fù)過程，實(shí)質(zhì)上由于電荷存儲(chǔ)效應(yīng)引起的，反向恢復(fù)時(shí)間就是存儲(chǔ)電荷消失所需要的時(shí)間。

雙脈沖測(cè)試電路

雙脈沖測(cè)試是廣泛應(yīng)用于MOSFET和IGBT等功率開關(guān)元件特性評(píng)估的一種測(cè)試方法。該測(cè)試不僅可以評(píng)估對(duì)象元件的開關(guān)特性，還可以評(píng)估體二極管和IGBT一同使用的快速恢復(fù)二極管（FRD）等的反向恢復(fù)特性。因此，對(duì)導(dǎo)通時(shí)發(fā)生反向恢復(fù)特性引起損耗的電路的評(píng)估非常有效。雙脈沖測(cè)試的基本電路圖如下所示。

該電路中上管為Diode測(cè)試管、下管是驅(qū)動(dòng)用的MOSFET，雙脈沖測(cè)試的基本工作主要可以分為①、②、③這三種。當(dāng)定義脈沖發(fā)生器的電壓為VPulse、流過電感的電流為IL、DUT的電壓為VDD。當(dāng)工作為①狀態(tài)時(shí)，MOSFET為ON狀態(tài)。電流路徑為：電源→電感Ls→電感L→MOSFET→電源。此時(shí)電感L蓄能。當(dāng)工作為②狀態(tài)時(shí)，MOSFET關(guān)斷(OFF) (I=0A)，因此電流路徑為：電感L→Diode形成閉合電路，變?yōu)槔m(xù)流運(yùn)行。當(dāng)工作為③狀態(tài)時(shí)，MOSFET再次導(dǎo)通(ON)，電流路徑為電源→電感Ls→電感L→MOSFET→電源，此時(shí)Diode的反向恢復(fù)電流與導(dǎo)通時(shí)的重疊，觀察流過Diode的電流，即可看到反向恢復(fù)的現(xiàn)象。

SPICE Model 如何描述反向恢復(fù)特性

二極管中總的電荷Q由兩部分構(gòu)成：結(jié)兩端電壓變化引起積累在此區(qū)域的電荷和中性區(qū)（NR）中儲(chǔ)存的電荷，是由注入到中性區(qū)（NR）中的少數(shù)載流子形成的。分別對(duì)應(yīng)結(jié)電容CJ和擴(kuò)散電容CD。

其中，CJ的表達(dá)式如下：

而CD的表達(dá)式為：

換句話說，反向恢復(fù)是和Diode的電容相關(guān)的。當(dāng)我們確定好CJ的電容參數(shù)CJO, M, FC, VJ。那么反向恢復(fù)的參數(shù)就和CD的參數(shù)TT是相關(guān)的。

SPICE Model反向恢復(fù)參數(shù)該如何抽取

Spice Model 參數(shù)的提取可以在ICCAP中進(jìn)行。ICCAP中提供了一個(gè)基礎(chǔ)的Diode例子，可以在我們可以在這個(gè)例子的基礎(chǔ)上開發(fā)反向恢復(fù)參數(shù)抽取驗(yàn)證的例子。

在這個(gè)例子中定義新的DUT，命名為Recovery，并編寫雙脈沖測(cè)試電路，此處是用spice語法編寫的，這個(gè)和對(duì)應(yīng)仿真器語法要一致。

給定相應(yīng)的測(cè)試仿真激勵(lì)，測(cè)試通過Diode的電流，我們即可觀察到反向恢復(fù)的特性曲線。

ICCAP中可以使用Tuning來優(yōu)化調(diào)諧相應(yīng)的參數(shù)。當(dāng)我們Tuning TT的參數(shù)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)反向電流在變化。

雙脈沖測(cè)試仿真驗(yàn)證

同樣，我們可以在ADS中搭建雙脈沖測(cè)試電路。

仿真結(jié)果如下：

總結(jié)

在實(shí)際應(yīng)用中，MOSFET 的體二極管給我們帶來了很多的方便和好處，但我們不能忽視其反向恢復(fù)特性對(duì)系統(tǒng)的影響。

trr的數(shù)值大小（Model中與TT參數(shù)相關(guān)）直接影響了電子器件的性能和可靠性。以下是trr對(duì)電子器件的幾個(gè)重要影響因素：

1、能耗和效率：高trr值意味著電子器件在反向恢復(fù)時(shí)需要更長的時(shí)間，從而產(chǎn)生更多的能量損耗。這會(huì)降低電子器件的能效和工作效率。

2、開關(guān)速度：trr值越小，電子器件的反向恢復(fù)速度越快。在高頻率開關(guān)應(yīng)用中，反向恢復(fù)時(shí)間短的器件可以更快地切換狀態(tài)，提高整體系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3、可靠性：當(dāng)電流反向通過二極管時(shí)，如果trr值過大，會(huì)產(chǎn)生較高的反向電壓峰值。這可能導(dǎo)致功率損耗、熱量產(chǎn)生和器件損壞，影響整個(gè)電路的可靠性和壽命。